混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于土木工程(岩土)及地质工程技术领域，公开了一种混凝土‑高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置，该仪器主要由混凝土/膨润土接触界面Mock‑up装置、注液控制装置和测量装置三部分组成。其中，混凝土/膨润土接触界面Mock‑up装置用以保证试样在恒体积条件下与混凝土充分接触；注液控制装置用以模拟地下水入渗条件下膨润土试样发生水化渗透及膨胀变化；测量装置通过采集软件与计算机联机，实时监测并自动保存试验数据。本发明专利技术实现了模拟处置库地下水溶液作用下膨润土与混凝土接触时，膨润土渗透性、膨胀性、孔隙水化学成分演化性、长期物性及孔隙性发展的测试研究。

Test Method and Device for Behavior Simulation of Concrete-Compacted Bentonite Composite System

The invention belongs to the field of civil engineering (geotechnical) and geological engineering technology, and discloses a method and device for performance simulation test of concrete-high-pressure compacted bentonite composite system. The instrument is mainly composed of Mock up device of concrete/bentonite contact interface, injection control device and measurement device. Among them, the Mock up device of concrete/bentonite contact interface is used to ensure full contact with concrete under constant volume condition; the injection control device is used to simulate the change of hydration, permeation and expansion of bentonite sample under groundwater infiltration condition; and the measuring device is connected with computer through collecting software, real-time monitoring and automatic preservation of test data. The invention realizes the test and Research on the permeability, expansibility, evolution of pore water chemical composition, long-term physical properties and pore development of bentonite when it contacts concrete under the action of simulated underground water solution of repository.

【技术实现步骤摘要】
混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置
本专利技术涉及一种混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置，属于土木工程(岩土)及地质工程

技术介绍
高水平放射性废物(简称“高放废物”)是一种放射性强、核素半衰期长、毒性大、发热量大的特殊废物。为了永久、安全地使之与生物圈相隔离，目前国际上比较公认的做法是采用多重屏障体系将其封存在距地表500-1000m的稳定岩层中。作为阻止放射性核素向地下水迁移最重要的工程屏障，缓冲/回填材料应具备维护处置库结构稳定、阻止地下水渗流、阻滞核素迁移以及扩散核辐射热等关键功能。自上世纪70年代末，瑞典科学家经过对粘土矿物的一系列对比研究，认为膨润土具有高膨胀自愈性、低渗透性和强吸附性，且经过适当的工程设计可实现缓冲/回填材料的工程性能要求。随后，法国、美国、比利时、中国等均选择膨润土作为理想的缓冲/回填材料基材。实际工程中，处置库建设中还需要使用大量的混凝土及水泥基材料，作为结构物、侧限、回填或工程屏障材料。据统计，在欧洲概念库中，设计混凝土的使用量超过了50万立方米。当围岩地下水向处置库入渗时，混凝土结构将不断衰解并释放大量的K+、Na+、Ca2+、OH-等离子，导致孔隙水化学成分变化，形成pH值高达10～13.5的高碱性溶液。这些碱性溶解物扩散到作为缓冲/回填材料的高压实膨润土后，会造成有效矿物成分蒙脱石逐渐溶解，质量随之损失，干密度不断减小，孔隙率不断增大，导致膨润土的膨胀性减小而渗透性增大，并且溶液浓度越高膨胀性下降越明显。由此可见，混凝土衰解后产生的高碱性孔隙水及复杂的化学成分，使蒙脱石不断溶解，对膨润土的高膨胀性、低渗透性和强吸附性均有很大的破坏作用，最终威胁整个处置库系统安全。因此，深入研究混凝土衰解对高压实膨润土长期缓冲性能的影响规律是极其重要的。针对高压实条件下膨润土与混凝土接触界面特性的研究鲜有报道。
技术实现思路
技术问题：本专利技术目的是针对高放废物处置库中混凝土衰解具有长期性这一特点，结合实际工况中地下水的存在，从室内试验分析的角度为缓冲/回填材料提供一种方法简便、操作容易、取样数据多、误差小的高放废物处置库内混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置，用以分析在模拟地下水化学作用下混凝土-高压实膨润土接触界面的作用及膨润土的缓冲性能演化规律及分布特性。本专利技术所得成果可为处置库工程屏障系统的设计、施工及长期安全性评估提供基础依据，具有重要的工程意义和实践价值。技术方案：本专利技术混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法，其步骤如下：1)首先设定混凝土衰解阶段，按混凝土衰解的早期，后期及晚期三阶段的成分配方配置混凝土不同衰解阶段的混凝土灰浆块体并硬化，而后与压实的膨润土试样充分接触，形成混凝土-高压实膨润土接触界面；2)使混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置与水盐转化器及GDS压力/体积控制器相连，可以达到控制孔隙水压力及孔隙水体积的目的，用于控制人工配置的处置库模拟地下水溶液压力及流量，并安装有轴向传感器用于孔隙水入渗过程中膨润土轴向膨胀力演变过程的测定；3)测试采集混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置在运行过程中的孔隙水压力与流量、轴向膨胀力及注液腔室内的孔隙水成分，对采集到的数据进行测试与分析，可得到混凝土-高压实膨润土接触作用过程中，高压实膨润土的渗透性、膨胀力及孔隙水化学成分的长期发展性态参数；4)混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置运行结束后，取出高压实膨润土土样，对土样从下到上不同位置进行切样处理，用于混凝土-高压实膨润土接触后，膨润土距接触界面不同距离处，膨润土的矿物成分、孔隙结构及含水量的测定与分析，可得到混凝土-高压实膨润土接触作用过程中，高压实膨润土的物性发展及孔隙变化的长期特征。本专利技术混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置，包括混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置、注液控制装置及测量装置三部分：1)所述的混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置包括底座、溶液腔室、套筒、混凝土样环、膨润土试样环、透水石、密封圈、活塞、下顶盖、上顶盖。为了保持试验过程中密封、保温及抗腐蚀性能，该混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置采用不锈钢及聚四氟乙烯材料加工而成；其中，底座、溶液腔室、膨润土试样环、活塞、下顶盖、上顶盖采用不锈钢材质，套筒、混凝土样环采用聚四氟乙烯材质。底座通过螺栓与下顶盖相连，并将套筒固定在底座与下顶盖中间；溶液腔室、混凝土样环、膨润土试样环依次由下往上置于套筒中并紧密连接，透水石、活塞由下向上依次置于膨润土试样环中；活塞的底部设有环形水槽以及两个贯穿的排气孔，两个排气孔分别从活塞的底部贯穿至活塞上部的两侧；为了保证底座与溶液腔室，溶液腔室与混凝土样环，混凝土样环与膨润土试样环，以及膨润土试样环与活塞接触界面的密封性，在相应位置均设有环形密封槽，并通过设置密封圈来保证试验仪器的密封性。活塞的上方设置有上顶盖，上顶盖与下顶盖之间通过螺栓连接。2)所述的注液控制装置包括GDS压力/体积控制器、导管、水盐转换器、注水底座及溶液腔室。其中，导管采用聚四氟乙烯材质。溶液腔室的底部开设有溶液腔室进水孔和溶液腔室出水孔，底座的侧壁分别开设有贯通的底座进水孔和底座出水孔，底座进水孔与溶液腔室进水孔连通，底座出水孔与溶液腔室出水孔连通；水盐转换器上设置有转换器出水孔和转换器进水孔，底座进水孔通过导管与转换器出水孔相连，转换器进水孔通过导管与GDS压力/体积控制器相连；GDS压力/体积控制器可实现恒定注水速率或恒定加压速率的外在实验条件。3)所述的测量装置包括轴向压力传感器、膨胀力数据采集仪及GDS压力/体积控制器。混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置上顶盖底面中部设置有可旋转的不锈钢圆片，通过可旋转的不锈钢圆片将轴向压力传感器用螺钉固定，轴向压力传感器进一步与膨胀力数据采集仪连接，并通过膨胀力数据采集仪读取轴向压力传感器的数据。GDS压力/体积控制器可实时量测入渗液的流量及压力，其数据显示在与其相连的计算机上。有益效果：本专利技术混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置，用于测定恒体积条件下膨润土在混凝土接触状态下的长期性态，采用不同衰解阶段的混凝土样块体与高压实膨润土相接触，形成混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置，能够实现模拟地下水入渗条件下，混凝土衰解作用下的膨润土，高压实膨润土长期性态的试验研究，具有以下有益效果：1)本专利技术实现了膨润土在恒定加压速率或恒定注水速率条件下的化-水-力学耦合试验。2)本专利技术实现了膨润土与混凝土接触条件下在模拟处置库地下水水化作用过程中渗透系数及膨胀力发展的试验研究。3)本专利技术实现了混凝土-高压实膨润土接触界面孔隙水渗入和渗出液化学成分的变化监测。4)本专利技术实现了在模拟处置库地下水入渗后膨润土与混凝土接触条件下的膨润土长期物性及孔隙性发展研究。5)本专利技术的试验装置价格低廉，操作简单，密封效果好，检测方便，在本领域内具有实用性。附图说明图1为本专利技术试验装置结构示意图；图2为本专利技术图1中混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置俯视图；图3a为本专利技术图1中A-A剖面图；图3b为本专利技术图1中B-B剖面图；图3c为本专利技术图1中C-C剖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混凝土‑高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置，其特征在于：包括混凝土/膨润土接触界面Mock‑up装置、注液控制装置和测量装置；所述混凝土/膨润土接触界面Mock‑up装置用以保证试样在恒体积条件下与混凝土块体充分接触并水化反应；所述注液控制装置用以实现试样在模拟处置库地下水作用下发生化‑水‑力变化；所述测量装置包括轴向压力传感器，膨胀力数据采集仪及GDS压力/体积控制器，用以监测试验过程中膨胀力及渗透性的发展情况，并通过采集软件与计算机联机，实时监测并自动保存试验数据。

【技术特征摘要】
1.一种混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置，其特征在于：包括混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置、注液控制装置和测量装置；所述混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置用以保证试样在恒体积条件下与混凝土块体充分接触并水化反应；所述注液控制装置用以实现试样在模拟处置库地下水作用下发生化-水-力变化；所述测量装置包括轴向压力传感器，膨胀力数据采集仪及GDS压力/体积控制器，用以监测试验过程中膨胀力及渗透性的发展情况，并通过采集软件与计算机联机，实时监测并自动保存试验数据。2.根据权利要求1所述的混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置，其特征在于：所述的混凝土/膨润土接触界面Mock-up装置包括底座(1)、溶液腔室(2)、套筒(3)、混凝土样环(4)、膨润土试样环(5)、透水石(6)、密封圈(7)、活塞(8)、下顶盖(9)、上顶盖(12)；所述底座(1)通过螺栓与下顶盖(9)相连，并将套筒(3)固定在底座(1)与下顶盖(9)中间；所述溶液腔室(2)、混凝土样环(4)、膨润土试样环(5)依次由下往上置于套筒(3)中并紧密连接，所述透水石(6)、活塞(8)由下向上依次置于膨润土试样环(5)中；所述活塞(8)的底部设有环形水槽以及两个贯穿的排气孔(10)，两个排气孔(1)分别从活塞(8)的底部贯穿至活塞(8)上部的两侧；所述底座(1)与溶液腔室(2)的接触界面，溶液腔室(2)与混凝土样环(4)的接触界面，混凝土样环(4)与膨润土试样环(5)的接触界面，以及膨润土试样环(5)与活塞(8)的接触界面均采用密封圈(7)来保证密封性；所述活塞(8)的上方设置有上顶盖(12)，所述上顶盖(12)与下顶盖(9)之间通过螺栓连接。3.根据权利要求2所述的混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置，其特征在于：所述的注液控制装置包括GDS压力/体积控制器(13)、导管(14)、水盐转换器(15)、注水底座(1)及溶液腔室(2)；所述溶液腔室(2)的底部开设有溶液腔室进水孔和溶液腔室出水孔，所述底座(1)的侧壁分别开设有贯通的底座进水孔和底座出水孔，所述底座进水孔与溶液腔室进水孔连通，所述底座出水孔与溶液腔室出水孔连通；所述水盐转换器(15)上设置有转换器出水孔和转换器进水孔，所述底座进水孔通过导管(14)与转换器出水孔相连，所述转换器进水孔通过导管(14)与GDS压力/体积控制器(13)相连；所述GDS压力/体积控制器(13)可实现恒定注水速率或恒定加压速率的外在实验条件。4.根据权利要求3所述的混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置，其特征在于：所述的测量装置包括轴向压力传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永贵，孙曌，叶为民，贾灵艳，陈宝，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31